Żelazo

Najważniejszy spośród metali wykorzystywanych przez człowieka. Stanowi ponad 90% całej masy pozyskiwanych metali. Znajduje zastosowanie w produkcji urządzeń mechanicznych, transporcie, budownictwie, w wytwarzaniu sprzętów gospodarstwa domowego.

Żelazo znajduje się w co najmniej kilkuset minerałach, jednak większość z nich nie jest wykorzystywana do pozyskiwania tego metalu (nie są to więc minerały rudne). Najważniejsze minerały stanowiące źródło żelaza to magnetyt (Fe₃O4) oraz hematyt (Fe₂O₃). Zawierają one ponad 70% pierwiastkowego żelaza. Mniejsze ilości metalu znajdują się w getycie (geothyt; FeOOH), a także w syderycie (FeCO₃).

Złoża żelaza powstają w wyniku wielu procesów geologicznych, związanych z tworzeniem skał magmowych, osadowych oraz przeobrażonych. Zasoby złóż żelaza powinny wystarczyć na setki lat eksploatacji, jednak należy pamiętać, że wydobycie tego metalu wiąże się z zakładaniem uciążliwych dla środowiska kopalń odkrywkowych oraz głębinowych. Również eksploatacja największych polskich złóż żelaza, zlokalizowanych na głębokości ponad kilometra w okolicy Suwałk, nie jest możliwa przy obecnym stanie technologii wydobywczych ze względu na ogromne szkody ekologiczne.

Główne minerały żelaza

Najważniejszym minerałem rudnym zawierającym żelazo jest hematyt (Fe₂O₃). Występuje on w wielu złożach, przede wszystkim związanych ze skałami osadowymi, ale także w skałach magmowych i przeobrażonych. Hematyt ma duże znaczenie w złożach położonych na tarczy Pilbara w zachodniej części Australii, w stanie Minnesota w USA oraz w Brazylii.

Bardzo rozpowszechnionym minerałem rudnym jest też magnetyt – inny tlenek żelaza. Stanowi ważny składnik złóż znajdujących się w skałach magmowych i przeobrażonych. Powszechny w złożach zlokalizowanych w Szwecji (Kiruna), Kanada (Labrador) oraz w Rosji (Kursk). W odróżnieniu od hematytu wykazuje silne własności magnetyczne. Oba minerały stanowią razem najważniejsze źródło metalu, ze względu na dużą zawartość żelaza w ich sieci krystalicznej.

W osadowych złożach rud żelaza (opisanych poniżej) dużą rolę odgrywają minerały powstające w wyniku działania procesów wietrzeniowych, powodujących niszczenie skał na powierzchni Ziemi lub w jej pobliżu. Najistotniejszym z nich jest getyt (wodorotlenek żelaza), znany ze złóż Australii, Brazylii, Indii oraz USA. Innym istotnym minerałem jest syderyt. W skałach osadowych pojawia się także należący do grupy glinokrzemianów minerał szamozyt. Oba minerały zawierają jednak mniej żelaza niż hematyt oraz magnetyt, a więc nie odgrywają tak dużego znaczenia dla pozyskania tego metalu.

Najpowszechniej spotykanym minerałem zawierającym żelazo jest jednak piryt (FeS₂; tak zwane „złoto głupców”). Choć można go spotkać w niedużych ilościach w bardzo wielu typach skał magmowych, osadowych i przeobrażonych, to nie stanowi on głównego minerału złożowego. Może jednak występować w towarzystwie innych minerałów żelaza w eksploatowanych złożach tego metalu.

Magmowe i metamorficzne złoża rud żelaza

Wśród złóż żelaza powstałych w wyniku działania procesów związanych z zastyganiem magmy (gorącego stopu skalnego) duże znaczenie mają zasadowe intruzje, takie jak Bushveld w RPA, a także Kiruna w Szwecji. Są to ogromne ciała magmowe (czyli batolity), ubogie w krzemionkę (a więc nazywane zasadowymi), w których minerałem rudnym jest przede wszystkim magnetyt. Podczas stygnięcia i krystalizacji magmy w ogromnym, podziemnym zbiorniku (komorze magmowej) magnetyt opadał na dno komory, tworząc znaczące nagromadzenia. Razem z żelazem w magnetycie występuje również tytan i/lub wanad, które również mogą podlegać eksploatacji. Niekiedy takie złoża określane są zatem mianem złóż tytanomagnetytu. Złoża takie znamy także z terenu Polski, z okolicy Suwałk.

Gorąca magma wciskająca się pomiędzy starsze skały może oddziaływać na nie swoją temperaturą oraz wypływającymi z niej cieczami, prowadząc do powstania skał przeobrażonych. W ten sposób powstają złoża metamorfizmu kontaktowego. Roztwory zawierające żelazo reagują ze związkami znajdującymi się w przeobrażanych skałach, a niekiedy całkowicie je zastępują. W taki sposób powstaje ruda żelaza złożona z tlenków tego pierwiastka. Zazwyczaj złoża takie mają nieduże zasoby, ale były one eksploatowane między innymi w USA. Złoża tego typu powstają między innymi w skałach nazywanych skarnami, które tworzą się w wyniku przeobrażania skał zbudowanych z węglanu wapnia (CaCO₃), czyli wapieni oraz marmurów.

Niewielkie magmowe złoża rud żelaza powstają również wokół podmorskich gorących źródeł oraz wulkanów. Szybkie ochładzanie prowadzi do utworzenia niedużych koncentracji tlenków żelaza, znanych między innymi z Kanady.

Osadowe złoża rud żelaza

Złoża osadowe to najważniejsze źródło żelaza. Ich główny podtyp, mający największe znaczenie gospodarcze, to tak zwane złoża formacji wstęgowych (inaczej złoża formacji warstwowanych, złoża zmetamorfizowanych rud osadowych, złoża typu BIF – Banded Iron Formation, rudy typu Jeziora Górnego). Obecnie stanowią one większość światowych zasobów i to one są przede wszystkim eksploatowane.

Złoża wstęgowe mają ponad pół miliarda lat, powstawały głównie w eonie proterozoicznym, a więc około 550-2500 milionów lat temu, a także w eonie archaicznym (>2500 milionów lat temu), przy czym większość z nich pochodzi sprzed 2,6-1,8 miliarda lat temu. Są one obecne na większości kontynentów, na starych tarczach i platformach kontynentalnych. Eksploatacja jest prowadzona między innymi w Australii, Brazylii, Chinach, Indiach, Kanadzie, Rosji, Ukrainie, USA oraz Wenezueli. Rudy te mają również swoje lokalne nazwy, takie jak itabiryt (w Brazylii), jaspilit (w Australii) oraz takonit (w USA). Ich głównymi składnikami są hematyt oraz magnetyt. Złoża takie występują na obszarach o powierzchni nawet tysięcy kilometrów kwadratowych, a ich grubość (czyli miąższość) sięga kilkuset metrów.

Choć złoża formacji wstęgowych powstały jako skały osadowe, to jednak na przestrzeni milionów lat, które upłynęły od ich powstania uległy one procesom przeobrażania skał pod wpływem temperatur i ciśnień, stając się skałami metamorficznymi. Sposób ich tworzenia nie został w pełni zbadany. Powstawały one w rozległych, płytkich zbiornikach morskich, które zalewały tereny podlegające wcześniej długotrwale działającym procesom wietrzenia i erozji, prowadzącym do niszczenia starszych skał. Żelazo mogło pozostawać na erodowanych lądach, a także być transportowane na duże odległości w rzekach, ponieważ atmosfera była w ówczesnych czasach niemal beztlenowa. W morzach tworzyło ono liczne warstewki żelaziste przekładane warstwami krzemionki – stąd pochodzi najczęściej stosowana nazwa tych złóż. Na ich powstawanie miały też wpływ organizmy żywe. Choć organizmy fotosyntetyzujące nie mogły jeszcze dostarczyć wystarczających ilości tlenu, by mógł on w znaczący sposób przeobrazić atmosferę Ziemi, to jednak w oceanach nieco ponad dwa miliardy lat temu tlen zaczął pojawiać się coraz obficiej. To właśnie wtedy powstawało większość znanych nam dzisiaj złóż wstęgowych. Obecnie, w tlenowej atmosferze, nie mogą się one już tworzyć.

Typowe złoże typu BIF składa się z bardzo wielu warstewek zawierających żelazo, głównie w postaci minerału magnetytu. Zazwyczaj warstewki takie zawierają 20-40% żelaza, choć późniejsze procesy wietrzeniowe mogły doprowadzić do wzbogacenia rud – zawierają one wówczas nawet do 60% pierwiastkowego żelaza. Eksploatację takich rozległych złóż rozpoczęto w połowie XIX wieku w okolicach Jeziora Górnego w USA. Najbogatsze złoża typu BIF (do 60% pierwiastkowego żelaza) zostały tam już wyczerpane, jednak obecnie potrafimy wykorzystywać złoża wstęgowe oferujące zaledwie 25% metalu. Nowe technologie przetwórstwa pozwoliły także na przeróbkę surowca pochodzącego z hałd odpadów wydobywczych. Dzięki temu złoża znad Jeziora Górnego pozostają jednymi z najważniejszych na świecie. W Europie eksploatację rud wstęgowych po raz pierwszy rozpoczęto w Krzywym Rogu (Ukraina).

Światowe zasoby wstęgowych rud żelaza nie są na razie zagrożone wyczerpaniem. Eksploatacja jest jednak uciążliwa dla środowiska, gdyż w większości przypadków wymaga ona tworzenia ogromnych odkrywek, uciążliwych dla środowiska. Dodatkowe obciążenie stanowią procesy wzbogacania uboższych rud, a także ich transport oraz przemysł metalurgiczny.

Inny ważny podtyp złóż osadowych stanowią złoża rud osadowych (inaczej fanerozoiczne złoża osadowe, czyli powstałe w fanerozoiku, a więc liczące mniej niż 550 mln lat). Obejmują one duże obszary, a minerały żelaza skupione są w warstwach o grubości nawet do kilkudziesięciu metrów. Nośnikami metalu są minerały takie jak hematyt, getyt, syderyt oraz szamozyt. Tworzą one powłoki na ziarnach mineralnych, ooidy (niewielkie kuliste ziarna o koncentrycznej budowie), a także wypełniają pustki po szczątkach organizmów. Skały takie powstają głównie w płytkowodnej strefie zbiorników morskich. W pobliżu linii brzegowej wśród minerałów rudnych przeważa getyt, w osadach nieco głębszych wód dużą rolę odgrywają syderyt i szamozyt.

Złoża rud osadowych powstawały ona przestrzeni ostatniego pół miliarda lat, od początku ery paleozoicznej, czyli podczas tak zwanego eonu fanerozoicznego. W Europie (Belgia, Francja, Niemcy, Wielka Brytania) oraz w USA były one głównym źródłem żelaza aż do połowy XX wieku. Większość tych złóż została wyeksploatowana, a pozostałe nie odgrywają dużej roli, ustępując rudom wstęgowym. W Polsce również zaprzestano eksploatacji rud osadowych, znajdujących się między innymi w okolicach Częstochowy, w skałach pochodzących z okresu jurajskiego.

Osadowe złoża rud żelaza mogą także powstawać w wyniku utleniania dwuwartościowego żelaza zawartego w starszych skałach. Zjawisko to, związane z wietrzeniem (niszczeniem) skał prowadzi do tworzenia koncentracji nierozpuszczalnych minerałów żelaza. Zostają one wzbogacone po odprowadzeniu pozostałych minerałów, co zachodzi w klimacie gorącym i wilgotnym. W ten sposób powstają wietrzeniowe złoża żelaza, eksploatowane od stuleci. Obecnie nie odgrywają już one niemal żadnej roli. Są one jednak bardzo rozpowszechnione, gdyż wietrzeniowe złoża stanowią między innymi lateryty – czerwone pokrywy tworzące się w gorącym i wilgotnym klimacie, zawierające nawet do 30% żelaza.

Inny rodzaj osadowych rud żelaza, również pozbawiony obecnie większego znaczenia gospodarczego, stanowią rudy darniowe. W XVII i XVIII wieku były one jednym z najważniejszych źródeł żelaza. Złoża takie powstają zwłaszcza na obszarach polodowcowych, stąd też eksploatowano je w wielu państwach europejskich. Ruda darniowa zawiera minerały żelaza wytrącone w wyniku oddziaływania rozkładającej się substancji organicznej.

Zastosowania żelaza

Żelazo było jednym z pierwszych metali wykorzystywanych przez człowieka. W czasach historycznych wykorzystywano je do produkcji narzędzi oraz broni. Żelazo stosowano też do celów zdobniczych. W czasach nowożytnych zaczęło również odgrywać dużą rolę w budownictwie.

Obecnie żelazo stanowi najważniejszy składnik wielu stopów, na czele ze stalą. W związku z tym ma ono znaczenie dla przemysłu samochodowego, zbrojeniowego, produkcji urządzeń przemysłowych oraz gospodarstwa domowego, a także dla budownictwa. Współcześnie żelazo i stal są więc powszechnie stosowane w konstrukcjach budynków, mostów, linii kolejowych, dróg oraz innych elementów infrastruktury.

Ten sam metal wykorzystywany jest również w wytwarzaniu opakowań, produkcji lodówek, zmywarek, pralek oraz innych urządzeń AGD. Ma on też znaczenie w produkcji urządzeń dla energetyki, między innymi wytwarzania turbin, silników, paneli słonecznych. Żelazo wykorzystywane jest też przez przemysł farmaceutyczny, w produkcji leków oraz suplementów diety.

Wydobycie i produkcja żelaza

Najważniejszymi producentami żelaza są Australia, Brazylia, Chiny, Indie, Rosja oraz RPA; mniejsze udziały mają Iran, Kanada, Kazachstan, Szwecja, Ukraina oraz USA. Złoża nie są równomiernie rozmieszczone. Największe zlokalizowane są w miejscach, gdzie na powierzchni lub bardzo blisko niej pojawiają się stare skały, pochodzące z eonu proterozoicznego, liczące około dwa miliardy lat. Są to tak zwane tarcze kontynentalne: największe złoża tego typu znajdują się na terenie Australii oraz Brazylii. Dużymi producentami metalu są także kraje posiadające wiele mniejszych złóż różnego typu – w tej grupie państw wyróżniają się Chiny oraz Indie.

Zapotrzebowanie na rudy żelaza związane jest głównie z produkcją stali i podlega fluktuacjom związanym z tempem wzrostu gospodarczego, dużymi inwestycjami infrastrukturalnymi oraz rozwojem przemysłu. Ma to z kolei wpływ na ceny rudy oraz rentowność ich wydobycia. Z uwagi na duże objętości wydobywanych rud duże znaczenie ma też dostępność infrastruktury transportowej pozwalającej na przewóz urobku do zakładów jego przetwarzania. Samo wydobycie jest również związane z zagrożeniami dla środowiska, takimi jak konieczność otwarcia dużych kopalni odkrywkowych, niebezpieczeństwo skażenia wód oraz gruntów, a także duża emisja dwutlenku węgla. Podobne ryzyko niesie z sobą uruchomienie zakładów przetwórczych rud oraz hut produkujących stal i inne stopy żelaza.